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[硕士论文] 王鹏远
生态学 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:本研究探讨了多年来内蒙古紫花苜蓿种植中频发的低温冷冻灾害的时空动态,对于认识紫花苜蓿的产量与品质形成和抗冻减灾问题,进一步探索苜蓿长势和生产力在灾害中的响应,开展减灾区划、生长模型等领域的研究,指导苜蓿生产有重要意义。
  本研究从复合灾害链系统分析角度,明确了内蒙古紫花苜蓿种植中多发的低温冷冻灾害类型及评价体系。采取以ODBC5.3和Navicat for Mysql为API集成的R-Language与MySQL整合手段,解决了多源数据高次分析和数据转载瓶颈。在构建紫花苜蓿主要物候期和各类低温冷冻灾害等级逐日数据库的基础上,结合线性趋势、变异系数、发生率和平均强度等指标,采取时间特征指数和典型台站的小波分析等时间序列分析、多元回归插值等空间分析等手段,阐明了1951~2016年间灾害年发生强度和紫花苜蓿主要物候期的时空动态特征,分析了灾害在气候变化中的响应机制。结果表明:
  1.苜蓿长寒型冻害高发于锡林郭勒、兴安盟西部和呼伦贝尔等纬度较高地区。灾害在内蒙古年际普遍减弱;而重度灾害在高发地区减弱,在鄂尔多斯、河套等地逐年增强。
  2.融冻型冻害在东阿拉善、河套地区和西鄂尔多斯等地风险突出。灾害总体态势在上述高风险地区逐年减弱,而重度灾害在内蒙古普遍年际增强。
  3.障碍型冷害在鄂尔多斯、呼包北部、乌兰察布、锡林郭勒与赤峰的南部、兴安盟西部等高发地区逐年增强,而呼包地区、锡林郭勒与赤峰的中北部、呼伦贝尔西部等缓发地区逐年减弱。
  4.春季霜冻害发生态势在内蒙古西部高于东部地区。灾害总强度在内蒙古西部逐年增强,而东部地区逐年降低;除东阿拉善、锡林郭勒与赤峰的南部年际增强外,重度灾害在内蒙古大部逐年减弱。
  5.延迟型冷害多发于纬度较高的内蒙古东部。灾害强度内蒙古大部普遍逐年减弱,仅乌兰察布与赤峰的南部、兴安盟西部年际提高。
  6.秋季霜冻害在高发于阿拉善、西鄂尔多斯、河套地区、赤峰和通辽的西部等地。灾害强度在内蒙古地区普遍逐年减弱。
  7.苜蓿低温冷冻灾害频率普遍受5~15年与20~30年的两个周期影响,周期缩短导致了鄂尔多斯等地长寒型冻害和乌兰察布等地重度和极端延迟型冷害强度增大;近65年中内蒙古地区长寒型冻害、晚于四月下旬的苜蓿低温冷冻灾害强度总体减小;早春萌动过程和春季生长前期苜蓿低温冷冻灾害强度与苜蓿物候提前、生理敏感阶段时间、长度关系密切。
[硕士论文] 甘平
测绘工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:二十世纪初,玉米的全球年产量已经超过小麦和水稻,成为世界第一大粮食作物,并保持平均每年2.7%的速率高速增长。玉米是中国传统的大田作物,年产量已位居中国三大农作物之首。随着全球气候变化,涝渍灾害发生的频率越来越高,波及范围越来越广,对农业稳定生产和农产品品质带来的危害越来越显著。玉米是需水量大但不耐涝的农作物,对玉米而言涝渍灾害逐渐成为其高产稳产的主要限制因素之一。随着遥感科学与技术的迅猛发展,它以非接触方式、远距离获取目标物体的光谱信息或影像信息,并可反复对目标物体进行观察和测量,已经逐渐成为中国农业灾害监测的重要手段并且有广阔的应用前景。本文尝试通过高光谱和激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)两种新兴前沿的遥感技术,进行涝渍玉米表型信息解析和涝灾灾情评估。高光谱遥感技术由于其具有分辨率高、连续性强、信息量大等特点,在农业定量遥感监测方面表现突出。激光雷达作为主动遥感技术,由于其具有较好的速度、角度和距离分辨率,在获取植被结构信息上有明显优势,其搭载在无人机平台上更可快速、有效进行植被冠层高度信息提取。因此通过高光谱遥感技术和激光雷达技术在玉米涝渍灾害中进行长势监测、生理生化参数反演、产量损失估测等方面具有重大的理论和现实意义。
  本文于2015-2016年在北京市农林科学院小汤山研究基地开展了小区控制实验,通过模拟涝渍大田环境,获取涝渍夏玉米遥感数据、农学数据、气象数据及其它实验数据。研究涝渍后夏玉米整个生育期关键生长发育参数的变化规律,并用合理的农学机理进行解释,分析其不同时期冠层光谱反射率曲线的变化情况,构建涝渍玉米关键参数叶面积指数(Leaf AreaIndex,LAI)反演模型。基于机载LiDAR数据进行研究区涝渍玉米植株冠层高度反演,利用统计学方法分析不同涝灾程度(轻度涝灾、中度涝灾、严重涝灾)的LiDAR变化规律,建立涝渍玉米冠层高度与灾情严重程度估算模型,实现涝渍玉米灾情的遥感评估。具体研究内容和结论如下:
  (1)选取具有典型代表性的玉米植株生理生化和群体结构等相关参数,对关键参数进行全生育期数据分析,结果发现涝渍玉米与正常植株在拔节期和抽雄期LAI存在较大差异。通过对不同时期涝渍玉米与正常玉米植株的冠层高光谱数据进行对比分析,发现光谱曲线在可见光波段均具有“绿峰”和“红谷”的光谱现象,“绿峰”在绿光波段550nm附近是由于叶绿素的低反射特性形成的,“红谷”在红光波段650nm附近是由于叶绿素吸收红光形成的。利用抽雄期和灌浆期各两期试验数据,研究涝渍玉米冠层光谱变化规律,结果发现涝渍玉米可见光波段反射率比正常玉米高,涝渍玉米可见光反射率变化幅度大于近红外,且涝灾玉米光谱曲线均存在一定的“蓝移”现象。
  (2)LAI是能够表征植株长势和受胁迫程度的关键参量,本文基于光谱指数构建涝渍玉米LAI反演模型。通过灰色关联分析和相关性分析进行自变参量的关联度排序;通过赤池信息量准则确定参与建模的光谱指数;基于偏最小二乘回归方法构建涝灾玉米LAI估算模型。通过建模与验证样本分离方法和留一交叉验证法进行模型验证,精度评定指标是R2和RMSE。研究结果表明,估测模型均达到0.01水平下的极显著相关,其中最优模型的建模精度R2高达0.85,验证RMSE为0.313。
  (3)玉米经历涝渍灾害后其自身内部结构会发生诸多变化,植株高度变化是其最直观显著的外在表型体现。本文基于LiDAR数据获取研究区玉米植株冠层高度;接着,基于数理统计方法确定严重涝灾、中度涝灾和轻度涝灾对应植株冠层高度范围;然后,通过涝渍冠层高度阈值构建灾情遥感监测模型;最后,通过定性和定量两种方法进行精度评价。研究结果表明,基于机载LiDAR得到的遥感灾情评估结果,总体精度为72.15%,Kappa系数为0.44,遥感灾情等级空间分布图与研究区实际涝渍情况基本吻合。
[硕士论文] 白相颇
农村与区域发展 延边大学 2018(学位年度)
摘要:吉林省是我国重要的商品粮基地,同时吉林省也是农业自然灾害多发区,每年干旱、洪涝、大风、冰雹、低温冷害、病虫害等各类灾害均有不同程度发生,严重波及到农业生产、农民收入以及农业经济的增长。农业自然灾害损失管理成为吉林省农业经济发展的核心问题,因此迫切需要提升吉林省农业自然灾害损失评估及管理水平,对吉林省农业现代建设具有重大意义。
  根据吉林省自然灾害的详实文献资料收集,为研究提供了有效的数据和资料支撑。对吉林省农业自然灾害的现状、成灾规律和灾害损失评估等方面进行了全面和系统的分析。吉林省是农业自然灾害多发区,1985年以来全省累计发生自然灾害1996次,年均成灾65.4次。从成灾频数看暴雨洪涝、冰雹、干旱和大风为吉林省主要自然灾害,成灾数量占所有自然灾害成灾总数的78.2%。从成灾数量的地区分布看,30年来全省各地区自然灾害发生频数排序依次为:吉林>长春>白城>松原>通化>延边>四平>白山>辽源。吉林省农业自然灾害成灾时序特征,以每10年为一时间节点,1985年以来吉林省农业自然灾害总体上成灾频数有所降低,这主要得益于全省农业基础设施的逐步加强和防灾减灾能力的不断提升。吉林省农业自然灾害中暴雨洪涝成灾频数波动幅度较大,每个波动期持续时间均为3-5年,基本呈规律性分布。冰雹成灾频数基本呈现对数型波动,即在有规律波动的基础上,总体发生频率有所降低。干旱成灾率基本呈正态分布,即呈现出中间高、两边低的趋势,年度间并无显著的波动周期及波动规律。吉林省主要自然灾害成灾时空规律分析看暴雨洪涝最为严重的地区为中部,冰雹最为严重的地区是中部,干旱最为严重的地区是西部,大风最为严重的地区是中部。
  30年来全省成灾的自然灾害包括暴雨洪涝、冰雹、病虫害、大风、低温冷害、冻害、干旱等,从对人本身及主要财产安全影响看,30年来暴雨洪涝引发的受灾人口达1675万人,占总量的34.89%,平均受灾人口达到54.92万人;引发的死亡人口达266人,占总量的86.93%;引发的失踪人口为53人,占总量的100%,暴雨洪涝是全省第一大致灾因子。从农作物受灾面积看,从1985-2015年以来干旱引发农作物受灾面积最大,占所有灾害的59.8%;暴雨洪涝占所有灾害的19.2%;冰雹占所有灾害的9.3%;大风占所有灾害的3.8%;病虫害占所有灾害的2.1%。从种植业致灾影响因素来看,干旱始终是我省种植业面临的第一自然风险,暴雨洪涝为我省种植业面临的第二自然风险。从自然灾害对农民收入的影响测算可得1985年以来全省种植业因灾损失收入占农民年均纯收入的16.69%。其中,2001-2014年吉林省农民种植业因灾损失收入占种植业纯收入的20.67%。
  从农业灾害损失评估结果看,自然灾害对吉林省粮食生产影响较严重。迫切需要加强农业生产灾害的评估工作,为农业增产、农民增收起到保障作用。必须加强农业自然风险灾害损失评估工作,整合农业自然灾害损失评估的管理主体,完善灾害损失评估管理的立法和监管机制,建立并完善防灾、减灾、技术评估的支撑体系等方面的工作。尽早将农业自然灾害损失评估工作纳入到吉林省政府正常的工作内容,做出具体的工作部署。
[硕士论文] 熊明阳
农业信息化 河南农业大学 2018(学位年度)
摘要:随着物联网技术的不断发展,它在各行各业中的应用越来越广泛。在农业领域中,物联网技术利用无线传感设备对农作物进行各种指标的动态监测,从而有效地监测病虫害、异常气象事件灾害和农作物长势,已经成为指导农作物田间种植管理的重要手段。特别是在大田作物生产方面,以物联网为基础的大田作物灾害监测与诊断技术已经逐渐成为研究的热点。
  本文以河南省商丘、南阳、驻马店、安阳和许昌等5个冬小麦主产区为研究对象,利用部署在这5个区域的物联网监控站点,采集各区域冬小麦的田间温度数据。根据各个站点记录的历史数据,准确判定出了这些年份各地区的冬小麦返青期,并依据各地区的积温模型精准推算出了冬小麦的拔节期。以返青期和拔节期的判定指标、积温模型和冻害指标为理论基础,本文基于Java Web技术设计并实现了基于物联网的河南省冬小麦晚霜冻害监测系统。系统具有使用方便和功能丰富的特点,能够有效判定冬小麦的返青期和拔节期,监测冬小麦晚霜冻害的发生及其级别,并提供针对性的专家建议。
  本文的主要研究内容和结果如下:
  (1)利用部署在商丘、南阳、驻马店、安阳和许昌的物联网监控站点,采取改进过的五日滑动平均法判定冬小麦返青期的具体日期。依据各地区的积温模型,由返青期推算出冬小麦拔节期的具体日期。
  (2)基于返青期和拔节期的判断指标、积温模型和冻害指标,利用Java EE技术平台和SSH2轻量级的系统开发框架,本文开发了三层架构的基于物联网的河南省冬小麦晚霜冻害监测系统。系统利用Mysql作为数据库,使用Tomcat中间件作为Web容器,具有方便部署、界面友好、易于使用的特点。系统的功能丰富,主要包括:冬小麦田间实时温度获取、冬小麦返青期和拔节期判定、冬小麦晚霜冻害监测、专家建议管理和用户管理等模块。
  (3)本文利用物联网监控站点2011年至2017的历史数据,判定出商丘、南阳、驻马店、安阳和许昌等5个地区的返青期与当年实际的返青期平均相差3天,判定出的拔节期与当年实际拔节期平均相差3天,取得了较好的判定效果。基于验证后的返青期和拔节期判定方法、积温模型,结合冬小麦晚霜冻害指标,本文设计和开发了基于物联网的河南省冬小麦晚霜冻害监测系统。系统能够及时监测商丘、南阳、驻马店、安阳和许昌这5个地区冬小麦晚霜冻害的发生和相应的冻害级别,可以为冬小麦生产提供有力的技术支持。
[硕士论文] 张轶
气象学 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:水稻是东北地区最重要的粮食作物,东北稻米品质优良,市场需求大,随着气候变暖为东北地区水稻扩种提供了一定的热量条件。为明确基于热量资源的东北水稻潜在扩种区域,评估可种植区域低温冷害风险,探索低温冷害保险产品研发方法,开展本项研究。本研究采用1981-2010年东北地区104个站点的气象数据和5km×5km格点气象数据,基于80%气候保证率,分析了1980s、1990s和2010s水稻热量资源空间变化、水稻潜在种植范围变化及水稻熟型空间转化。在水稻潜在种植范围内,依据水稻低温冷害指标,结合32个农气站点生育期和格点气象数据,研究水稻延迟型冷害的典型年份转移矩阵、发生频率空间分布和各省份年际波动变化;在推算最近邻K分类算法(K-Nearest Neighbor,KNN)水稻孕穗期和开花期的基础上,分析了障碍型冷害风险。以吉林省蛟河市为例,设计了障碍型冷害指数保险。主要结果如下:
  (1)1981-2010年,东北地区≥10℃积温整体呈上升趋势,平均增速为104.4℃·d/10a;除辽宁省南部和中部及黑龙江省漠河站,水稻生育期长度变短外,其余地区延长。由于积温增加和生育期延长,2000s与1980s相比,水稻可种植区域扩大了4.70%;不可种植区域缩小了59.45%,同时,水稻潜在种植区内极早熟和早熟范围减少,中晚熟和晚熟种植区向北向西扩大。
  (2)东北地区水稻延迟型冷害发生频率和发生强度整体呈下降趋势,然而有些年份部分地区仍存在冷害加重的现象,其中1981、1990、1999和2010年冷害等级转移矩阵显示,部分格点从无冷害转变为轻度冷害、中度冷害甚至是重度冷害。30年中,轻、中、重度3个等级的延迟型冷害,以重度延迟型冷害发生的频率最高且范围最大,1980s重度冷害发生频率达到100%发生的区域占1.78%,2000s所有等级冷害发生范围最小且频率最低。
  (3)东北地区水稻障碍型冷害风险水平整体呈下降趋势,且开花期冷害风险高于孕穗期。按照冷害风险水平从0到5依次加重,1980s、1990s、2000s水稻孕穗期和开花期平均风险水平分别为2.60、2.50、2.11和2.79、2.68、2.42。各省份障碍型冷害风险由大到小依次为内蒙古东部>黑龙江省>吉林省>辽宁省。
  (4)选择冷害风险较大的蛟河市,设计障碍型冷害指数保险。基于冷害发生频率与减产率的关系,按照水稻单位面积产量售价,孕穗期和开花期障碍型冷害保险的合理费率应分别为1.5%~2.3%和4.8%~6.9%。
  基于积温和生育期长度定义的潜在种植区,可以基本满足水稻生产的热量需求,同时扩大种植时应考虑延迟型和障碍型冷害风险导致的产量和收入损失。为了转移风险和降低收入损失,冷害保险也是一项重要的减灾策略。未来有关东北地区水稻扩种的研究不仅仅要考虑总体热量资源和冷害风险,还应考虑水资源、耕地和环境容量多重约束下,开展进一步的研究。
[硕士论文] 岳焕然
农业生态学 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:干旱是影响玉米生产的重要灾种,创新玉米旱情监测预警途径,意义重大。本研究基于玉米表型特征和BP神经网络对玉米干旱进行识别,以探究玉米干旱识别新方法,为提高玉米干旱监测识别水平奠定基础。本研究利用可见光成像方式采集不同干旱胁迫下的玉米图像,通过编程从玉米图像中提取表型特征变量,以多个BP神经网络集成学习的方法构建玉米不同生长发育阶段的干旱识别模型,识别不同程度干旱胁迫下的玉米植株。研究结果表明:玉米形态特征是识别干旱的最有效特征,颜色和纹理特征在玉米生长中后期是识别干旱的重要特征。不同程度干旱胁迫下,玉米表型特征差异性明显,无旱和特旱胁迫下玉米的表型特征最具独特性,因而模型对玉米无旱和特旱程度的识别度高。玉米出苗-拔节、拔节-抽雄和抽雄-成熟3个生长发育阶段的干旱识别模型识别玉米干旱的准确率均在90%以上,出苗-拔节、拔节-抽雄2个生长发育阶段的模型识别玉米不同干旱程度的误差在0.015以下,而抽雄-成熟生长发育阶段的模型识别玉米不同干旱程度的误差相对较高,在0.02~0.05之间。出苗-拔节生长发育阶段的模型识别玉米不同干旱程度的精度均在97%以上,拔节-抽雄生长发育阶段的模型识别玉米不同干旱程度的精度在92%~95%之间,抽雄-成熟生长发育阶段的模型识别玉米不同干旱程度的训练精度在90%~95%之间,验证精度在88%~95%之间。采用集成学习的方法构建玉米干旱识别模型相比传统的单分类器模型在降低训练误差、提高准确率和精度方面具有明显优势,能够有效降低识别玉米不同干旱程度的差异性。综合研究结果可知,利用玉米表型特征识别玉米干旱,具有良好的效果,但不同表型特征对玉米干旱识别的贡献不同,以BP神经网络集成学习的方式构建模型识别玉米的不同干旱程度,识别结果存在一定差异性,但总体识别效果良好。
[硕士论文] 史萍
气象学 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:冬小麦晚霜冻害是指由寒冷季节向温暖季节过度时,大幅降温使植株体温降到冰点以下,冬小麦原生质受到破坏,导致植株受害或死亡的低温灾害。晚霜冻害主要发生在小麦拔节期至抽穗期(3月下旬至4月中旬),这一时期小麦若发生冻害可能造成减产甚至绝产。与冻害对产量性状影响的复杂性相比,株高变化对冻害的响应最为一致和明显,因此本文将以株高为突破点。通过2013、2014和2016年低温霜冻试验,研究冬小麦发生霜冻时小麦冠层光谱变化特征与株高变化的关系,分别基于特定位置的光谱特征参数,基于波长组合的窄波段光谱指数和基于敏感光谱波段构建霜冻小麦株高模型,通过比较模型的Adj.R2(调整R方)和RMSE(均方根误差)选择最优模型作为冬小麦霜冻株高变化模型。
  通过研究,本文得出以下结论:
  (1)雌雄蕊到药隔期是小麦幼穗发育的低温敏感时期,在这一时期随着霜冻温度的降低株高逐渐降低,且株高的降低存在突变性。在雌雄蕊时期小麦株高降低的突变温度在-11℃左右,而到了药隔期,突变温度上升为-7℃。
  (2)霜冻小麦冠层光谱标准化反射率的变化规律:在可见光波段400-750nm,反射率的值都是随着温度的降低而降低,其中在540-550nm黄边范围内出现一个较小的反射峰,在近红外波段750-1300nm,反射率曲线先后出现三个峰;在短波红外波段1500-1769nm出现一个峰。
  (3)霜冻小麦冠层一阶微分光谱的变化规律:随着温度的降低,反射率值越低。在680nm左右是红光强烈吸收导致的红谷。在710-760nm波段范围内,开始出现红边效应,且随着温度降低,红边向短波方向移动即出现红边“蓝移”,温度越低反射率的值越小。
  (4)相关分析结果表明,在试验1(2013试验)与试验2(2014试验)中混合样本中,株高变化率与λr(红边位置),SDr(红边面积),Dr(红边振幅),Drmin(最小振幅),Dr/Drmin(红边振幅/最小振幅),Dr/SDr(红边振幅/红边面积)共计6个光谱特征参数的相关性达到了极显著水平((P<0.01)。在试验3(2016试验)中,与株高达到显著相关的有2期试验敏感窄波段光谱指数有:SR555(Simple Ratio750/555),PSSRa(Pigment specific simple ratio),TVI(Triangular vegetation index),SR735(Simple Ratio1075/735),RMCARI/ROSAVI(Ratio of revised MCARI/revised OSAVI),WI(Water index),SRWI(Simple ratio water index),SR1096(Simple ratio1187/1096),NWI-1(Normalized water index-1),NWI-3(Normalized water index-3),AI(Aphid index),HI(Healthy index),共计12个。在株高与全波段光谱相关分析中,430~485nm,523~564nm,732~904nm,1123~1334nm与株高达到了极显著相关的水平(P<0.01),其中在762nm处达到极显著最大相关,相关系数为0.423。
  (5)用多元逐步回归分析的方法构建冬小麦晚霜冻株高变化模型,模型拟合效果最好的是用窄波段光谱指数构建的回归模型,模型Adj.R2=0.581**,RMSE=5.393,参与建模的窄波段光谱指数是PSSRa。
[硕士论文] 包阿茹汗
产业经济 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:宁夏自治区地处我国西北内陆,降水稀少且时空分布不均,有“十年九旱”之说。旱灾已成为影响宁夏农业粮食生产最严重的自然灾害,给农民带来了巨大的财产损失,阻碍了宁夏农业产业经济的发展。随着气候变化与人类活动的影响加剧,宁夏干旱形势不容乐观。对农业旱灾风险的综合评价,有利于掌握宁夏农业旱灾风险的时空分布差异,明确抗旱工作的努力方向,进而加强农业旱灾风险管理。本文针对宁夏两大粮食作物玉米和小麦,基于成灾综合评价法,利用1981-2016年气象数据资料及生育期资料、1993-2016年产量和面积数据、地理数据、灾情数据等资料,从玉米和小麦生育期内发生干旱的危险性、玉米和小麦种植在干旱胁迫下的脆弱性、玉米和小麦种植对孕灾环境的敏感性以及各县农业抗旱能力四个方面选取评价指标,构建宁夏玉米和小麦干旱风险评价模型,得出宁夏玉米和小麦干旱风险时空分布图,探讨各地区的干旱风险成因及关键作用因子,综合评价了宁夏各地区的玉米和小麦的干旱风险。结果表明:
  (1)宁夏玉米和小麦干旱危险性均呈中部高南北低的空间分布格局,玉米和小麦干旱危险性高值区均分布在同心、中卫两县,危险性指数分别达到0.5和0.55以上。北部玉米干旱危险性高于小麦,中南部玉米干旱危险性低于小麦。在灌溉条件相当的前提下(北部引黄灌区),玉米与小麦相比生育期更长,潜在蒸发量更大,因而干旱危险性相对较高。而雨养农业区(中南部各县),作物水分主要依赖自然降水,玉米生育期与雨季重合,小麦生育期内降水较少,因而小麦干旱危险性更高。
  (2)宁夏玉米和小麦干旱低敏感区主要分布在黄河沿岸的冲积平原,呈连续性分布,该地区土壤肥沃、地势平坦,利于耕种。高敏感区主要分布在贺兰山地和以丘陵、平原为主的中部地区,该区土壤类型多为灰钙土、风沙土与粗骨土,玉米和小麦暴露性较高。综合考虑坡度、土壤类型和玉米、小麦的暴露性三个因素的影响,玉米和小麦干旱敏感性的高低主要取决于其暴露性指标的大小。
  (3)宁夏玉米和小麦干旱脆弱性低值区集中分布在黄河沿岸的水作地,该区灌溉条件良好,适宜发展现代农业。玉米和小麦干旱脆弱性高值区主要包括海原、同心、固原、西吉、泾源、隆德、彭阳等宁夏中南部各县,该区玉米和小麦减产率较高,单产变异系数大,干旱威胁下的脆弱程度最高。
  (4)宁夏各县农业抗旱能力较强的地区主要分布在引黄灌区周边县市,抗旱能力指数达到0.5以上,该区农业经济发展水平较高,农民收入水平较高、机械化水平相对较好,因而抗旱能力较高。抗旱能力较低的地区是中卫、西吉中部以及平罗西北部等地区,抗旱能力指数在0.4-0.45之间。宁夏各县(市)抗旱能力指数时间序列分布呈显著上升趋势,至2016年各县平均抗旱能力指数达到了0.8。
  (5)宁夏1990-2016年玉米和小麦干旱风险值在30%-45%之间,其中玉米干旱风险较高,呈逐渐上升趋势,小麦干旱风险趋势较平缓。玉米和小麦干旱风险空间分布较为一致,干旱风险低值区主要分布于北部引黄灌区各县(市),干旱风险均小于20%,该区经济发展较快、灌溉条件良好、土壤肥沃。干旱风险较高的地区主要集中在中南部地区,干旱风险值均达到50%以上,该区域土壤持水力较差,土壤结构松散,经济发展落后、农业设备老旧,严重影响作物产量。作物干旱风险评价的四个指标中,危险性指数的权重最大,干旱风险与干旱危险性的空间分布规律较一致,宁夏地区玉米和小麦的干旱危险性较大程度上决定了干旱风险的分布。
  本文利用较为完备的数据资料,运用综合评价方法,构建了宁夏作物干旱风险评价模型,分析了宁夏玉米和小麦干旱风险时空分布情况及主要成因,为宁夏地区农业生产、抗旱规划和旱灾风险管理提供科学依据。
[硕士论文] 陈志鹏
水利工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:旱灾自古以来都是中国和全球面临的重大自然灾害之一,随着全球气候变化以及人类活动加剧,旱灾带来的危害也呈现加重的趋势。旱灾的影响因素众多,旱灾自身的脆弱性是产生风险的关键。基于此,论文将旱灾风险评估的基本理论与实际应用相结合,确立试验指标,构建BP神经网络模型,定性的图表分析与定量的计算相结合,探讨基于BP神经网络的旱灾脆弱性研究方法。研究区域选取淮北平原,研究对象选择淮北平原夏大豆,建立基于BP神经网络的旱灾脆弱性研究方法并开展应用研究,取得如下结论:
  (1)根据安徽省淮河水利委员会水利科学研究院的蚌埠新马桥农水综合试验站夏大豆盆栽受旱试验的数据,统计和计算出试验指标,并将各指标与产量建立关系,制出关系图和表,进行相关性分析。结果表明:各生育期的干旱历时、干物质量、干旱强度指标与产量的相关性都较好。其中,干旱强度和产量的关系好,说明了干旱强度对受水分胁迫的大豆产量的影响很大。
  (2)用BP神经网络的方法建立模型,测算不同受旱条件下不同生育阶段的夏大豆产量。通过不同模型间对比,分析各指标在不同生育阶段对产量的影响程度,确立影响因子。结果表明指标和产量的相关性较好,各生育期产量的影响因子均有干旱历时、干旱强度、干物质量,不同的是,前三个生育期的影响因子还包括叶面积指数,最后一个生育期的影响因子包括千粒重、实荚率。指标和产量相关性很好且拟合误差、验证误差较小。
  (3)通过BP神经网络模型求得产量的拟合值(预测值),与实测值一同建立轻旱、重旱减产率。结果表明:不管是在同生育期不同处理条件下,还是在不同生育期同处理条件下,轻旱、重旱的减产率预测值和实测值之间的相对误差不大,因此对于轻旱、重旱减产率的预测较为准确。
  (4)从灾害学与自然灾害风险形成机制的角度出发,研究干旱历时、干旱强度对夏大豆减产率(损失率)的影响以研究脆弱性,作出脆弱性曲线并进行相关性分析。同时,研究干旱历时、干旱强度对营养物质的影响,作关系图进行相关性分析,从另一角度研究脆弱性。结果表明:各生育期的干旱强度、干旱历时与干物质量、减产率的相关性都较好,即水分胁迫下的脆弱性显著。四个生育期的干旱强度和减产率的关系都很好,说明了受水分胁迫的大豆脆弱性里干旱强度的作用很大。
  (5)用BP神经网络的方法建立模型,测算不同干旱强度、干旱历时条件下的脆弱性和营养物质。不同模型间对比,研究脆弱性,还研究干旱强度、干旱历时对营养物质的影响。最终得出脆弱性显著,对减产的影响较大的结论;同时还发现脆弱性和全生育期营养物质的关系很好,误差也小的结论,也从侧面说明受水分胁迫下脆弱性显著。
[硕士论文] 朱虹晖
农业资源利用 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:晚霜冻害是冬小麦整个生长发育过程中遭遇的最严重的农业灾害之一。晚霜冻害严重时,会使冬小麦大面积小穗受伤甚至死亡,降低产量。对晚霜冻害的准确评估是有效风险区划、高效防灾减灾的工作基础。本文研究目的是揭示气象因子对晚霜冻害的影响规律,从而建立更客观准确的晚霜冻害评估模型,为高效防灾减灾奠定基础。
  本文以河南省为研究区域,以1964-2014年统计年鉴收录的实际霜冻害为基础,结合相关性分析、K-mean聚类分析等方法,探究实际霜冻害的气象影响规律。利用现有的草面温度数据及实际霜冻害相关气象因子,利用向前逐步回归方法建立基于多气象因子草面温度模型。模型结合最低叶温霜冻害指标,可以对尚未普及草面温度观测的地区进行更为准确、客观的晚霜冻害评估。本文主要结果与结论如下:
  (1)现普遍使用的以最低气温为标准的评估气象霜冻害指标准确度较低,对晚霜冻害的评估效果较差。
  (2)基于实际霜冻害分析,轻度实际冻害对前期热量因子较为敏感,冻时天气条件为日较差大,日照时数较大,相对湿度较小,风速较低,为辐射型冻害特征。重度实际冻害则对前期水分因子较为敏感。其冻时天气条件有两种,一种为相对湿度偏高,气温日较差和日照时数皆偏低,平均风速偏小,为混合型霜冻特征,另一种与轻度实际霜冻害的冻时气象条件相同。总体上,前期气象条件对实际霜冻害的影响较弱,实际霜冻害的发生以冻时天气条件为主。
  (3)利用晴天草面温度模型、阴雨天草面温度模型及最低叶温霜冻害指标,建立多气象因子晚霜冻害评估模型。本文利用自动观测站的最低草面温度及相关气象数据,以x1日较差、x2降水、x3日照时数、x4日平均风速、x5日相对湿度和x6日最低气温为模型自变量,分别建立晴天和阴雨天多气象因子草面温度模型。模型具体如下:
  晴天草面温度模型:y=-755-0.102x1+0433x4+0055x5+096x6
  阴雨天草面温度模型:yrain=-806+098x4+055x5+094x6
  两个模型都通过F检验且回归结果显著。多气象因子晚霜冻害评估模型结果表明,模型报对次数占实际次数百分比的871%。区分晴、阴雨天的多气象因子晚霜冻害评估模型的报对次数相对于最低气温指标有了明显提高,评估准确率提高了93%。可见,利用区分晴天、阴雨天的草面温度模型可以提高草面温度估算精度,结合最低叶温的晚霜冻害指标,能有效提高晚霜冻害评估精度。
[博士论文] 葛航
果树学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:枇杷(Eriobotrya japonica)是原产我国的亚热带水果,其采收季节适逢高温,采后果实不耐贮藏物流,低温冷链贮藏物流是延缓采后枇杷果实劣变腐烂的主要手段。红肉枇杷‘洛阳青’在低温贮藏物流时易罹患生理病害而出现冷害木质化等症状,导致果肉中的木质素含量升高,影响果实商品品质。
  本研究采用热激(HT)和程序性降温(LTC)等处理,以延缓0℃贮藏过程中的枇杷果实木质化进程,结合生物信息学、基因定量、双荧光素酶、酵母单杂交、凝胶迁移率分析(EMSA)、转基因等实验技术手段,研究确定了响应低温冷害的NAC和MADS家族成员,及其参与枇杷果实冷害木质化过程的分子调控机制。研究结果丰富了原有的木质素生物合成转录调控网络。主要结果如下:
  1.通过转录组数据分析,克隆得到了6个NAC成员。基因定量实验结果表明,EjNAC3、EjNAC4、EjNAC5和EjNAC7的表达量在0℃贮藏过程中逐渐上升,与果实冷害木质化进程呈现良好的正相关关系,但只有EjNA C3和EjNAC4显著受到HT以及LTC处理的抑制;而EjNAC6和EjNAC8的表达水平随贮藏时间的延长逐渐下降,与木质化过程呈现负相关关系,且LTC处理在后期能够有效维持EjNAC6的表达水平。此外,通过酵母单杂交文库筛选,以EjMYB8启动子为靶向,筛选获得1个MADS成员,对其在0℃以及LTC条件下的表达模式分析发现,EjMADS1受到LTC处理的显著诱导,且在0℃贮藏下与果实木质化过程呈现负相关关系。这些结果表明,在转录水平层面上,EjNAC3、EjNAC4和EjMADS1是参与枇杷果实木质化的重要候选转录因子。
  2.研究确定了EjNAC3可直接调控木质素代谢途径结构基因EjCAD-like。双荧光素酶实验发现,EjNAC3蛋白显著激活了EjCAD-like启动子(约6倍),但对于枇杷中其他木质素生物合成途径的结构基因效应有限;EjNAC4则暂未找到调控靶标。拟南芥的结构基因中,AtCAD5启动子受到EjNA C3的激活效应最高(约1.5倍)。对EjCAD-like启动子区域的顺式作用元件分析发现了多个NAC蛋白的结合位点。EMSA结果表明,EjNAC3蛋白对-502 bp至-454 bp区域结合作用较强,但对-142 bp至-103 bp区域的结合强度较低。酵母单杂实验证明了在体内同样能够实现EjNAC3蛋白与EjCAD-like启动子的直接结合。上述结果表明EjNAC3通过直接作用结构基因的方式参与木质素生物合成调控,其机制有别于传统的次生细胞壁相关NAC成员。
  3.研究发现了EjMADS1-EjMYB8可形成级联转录效应,参与调控枇杷果实木质化。利用酵母单杂筛库,发现EjMADS1蛋白可以结合参与木质化调控的激活型转录因子EjMYB8的启动子。双荧光素酶实验表明,EjMADS1蛋白可显著抑制EjMYB8启动子活性,但对于其余参与枇杷冷害木质化的MYB成员无显著影响,结合其表达模式与序列结构信息,推测EjMADS1是枇杷果实木质化的抑制型转录因子,并且是首个参与木质化调控的MIKC*亚家族成员。
  在本实验室前期主要关注木质素合成结构基因Ej4CL1的基础上,本研究发现了EjNAC3蛋白可直接结合并激活木质素合成结构基因EjCAD-like启动子,参与调控枇杷果实木质化。研究结果丰富了果实木质化过程可被转录调控的靶标基因范畴;同时,在前期转录调控/转录因子复合体研究的基础上,本研究明确了MIKC*亚家族成员EjMADS1可转录调控木质化相关EjMYB8转录因子,在果实木质化研究中引入了级联转录调控模式。研究结果进一步完善了枇杷果实采后木质化的转录调控网络。
[硕士论文] 王永超
自然地理 贵州师范大学 2017(学位年度)
摘要:农业洪涝灾害的脆弱性评价是农业洪涝灾害与风险评估的重要纽带。脆弱性评价作为农业洪涝灾害风险评估的关键,其技术相对薄弱,理论基础和评价方法不足以满足防灾减灾科学决策的要求,只有完善洪涝灾害的脆弱性评价,才能为风险评估奠定坚实的科学基础。在岩溶区对洪涝灾害的风险评估研究比较多,但对岩溶区农业洪涝灾害风险评估较少,同时岩溶区农业洪涝灾害的脆弱性研究也少见报道。
  本文以中国西南岩溶区为研究对象,首先介绍了2006~2014年中国西南岩溶区农业洪涝灾害情况,然后选取影响农业洪涝灾害脆弱性评价的指标,其次采用spass19.0软件对不同行政区每个年份农业洪涝灾害脆弱性影响指标进行主成分分析,再次在此基础上构建模型对中国西南岩溶区农业洪涝灾害脆弱性并进行计算、分析及评价,最后采用系统聚类分析将中国西南岩溶区脆弱性综合得分状况进行了脆弱性系统聚类。旨为中国西南岩溶区的洪涝灾害风险评估、防治,并为农业洪涝灾害管理政策以及农业可持续发展提供科学依据。
  研究表明,中国西南岩溶区农业洪涝灾害脆弱性较大的省份是四川、湖南省份,脆弱性较小的省份是重庆和贵州省份;中国西南岩溶区各省份在2006~2014年间的农业洪涝灾害脆弱性的变化呈波动增长的趋势。随着科技水平的提高与社会经济的发展,以及农业布局和产业结构的调整和水利工程建设投入的不断增加,使得中国西南岩溶区农业洪涝灾害脆弱性状况得到较大提高,基本上处于良好的状况。通过聚类分析,表明脆弱性具有显著的梯度差异:重庆和贵州为一类,广东、广西和云南属于一类,湖南、湖北和四川为一类;农业洪涝灾害脆弱性有从沿海向内陆的地域差异的规律,同时也具有一定的纬度地带性。
[硕士论文] 张潇
农村区域与发展 华中师范大学 2017(学位年度)
摘要:涝渍灾害明显对农作物生长有负面作用,每年因涝渍灾害使农业减少收入巨大。造成涝渍灾害的因素范围广,涝渍灾害的定义有从土壤角度和植物角度等多方面的研究。本文通过收集资料研究涝渍的作用机理,涝渍的成灾过程,和作物对涝渍的反应过程,并具体研究分析江汉平原。江汉平原水热富足,适合作物发展,是全国提供粮食产量的重地但地势低洼,在汛期雨水多,使农田排水不易,而发生涝渍灾害,产生损失;本文分析江汉平原的地形差异,分析不同区域涝渍灾害的受灾程度,结合区域特性选择适宜的农作物和生产方式来提高土地生产力,并修复生态系统。
  本研究的主要成果有:
  (1)根据地下水与高程的关系,探讨了渍害分析的标准,并划分了江汉平原的渍害分区。利用Landsat5 TM数据,解译了江汉平原的土地利用类型;运用高程-土地类型叠置法,对各种土地利用类型的渍害程度进行了分区研究。
  (2)建立了渍害评价的指标体系,并对江汉平原的渍害状态进行了评价,对典型渍害区进行了分析。
  (3)根据渍害与农业生产的关系,提出了江汉平原渍涝地利用的对策。
[硕士论文] 韩宜秀
农业推广 西北农林科技大学 2017(学位年度)
摘要:江西属亚热带季风气候区,水热资源较为丰富,但在时间上分布不均匀,且红壤蓄水能力有限,易诱发季节性干旱。近年来,江西省季节性旱灾频仍,而年降水未发生明显改变,研究蒸发能力的变化规律及成因成为探究旱灾成因的关键因素,而气象站点较少,缺少长序列气象观测数据成为了重要阻碍。分析江西参考作物蒸散量成因及简化模型研究有助于农业水资源优化配置和气候变化对水资源的影响研究。
  本文通过联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith(P-M)公式计算结果作为江西省1966-2015年逐日ET0标准值,使用Mann-Kendall非参数趋势检验和突变检验法分析江西省ET0时间变化特征和突变时间,在此基础上使用通径分析法研究ET0变化成因。采用P-M公式作为对照,与12种方法Pristley-Taylor(P-T)法、Makkink法、Hargreaves-Samani(H-S)法、Irmak-Allen(I-A)法、Penman1948(48PM)法、Penman-Van Bavel( PVB)法、Baier-Robertson( B-R)法、改进Baier-Robertson(M-B-R)法、Schendel(Sch)法、Turc法、Jensen-Haise(J-H)法和Brutsaert-Stricker(B-S)法对江西省26个气象站以及周边省份的17个气象站的1961-2010年逐日气象资料进行了统计比较,并重新进行了参数率定。取得了以下结果:
  (1)江西省ET0年内呈现单峰曲线,7~8月最高,约占全年30%。从年际变化看,ET0和日照时数无明显变化趋势,仅在8月呈现显著下降趋势,而相对湿度和风速显著下降,最高和最低气温显著上升。日照时数和ET0多年累积距平曲线和月值曲线形状最接近,突变时间也最接近,分别在1990和1992年。
  (2)日照时数、风速、相对湿度和最低气温通径系数分别为0.513、0.466、-0.425和0.196,表明日照时数最敏感,其后依次是风速、相对湿度和最低气温。日照时数通过相对湿度对ET0影响也较强(间接通径系数0.236),高于最低气温的直接作用。
  (3)在参数率定前,Turc法的适用性最好,其各站(RMSE)均方跟误差平均值为0.39 mm/d,(NRMSE)标准均方跟误差平均值为0.157,但率定参数后精度无明显提升,该方法可在江西地区(除南昌外)直接应用。参数率定后误差空间分布方面,12种方法均在江西北部误差最大。其中,48PM法和B-S法在参数率定后适用性较好,其RMSE和NRMSE分别在0.06~0.34mm/d和0.08~0.27mm,d-index接近于1,江西省各站年高估量均在30 mm以内。
  (4)当缺少相对湿度和风速资料时,P-T法是江西地区适宜的简化方法,其参数α介于1.05~1.18,RMSE在0.21~0.66 mm/d,NRMSE在0.08~0.30。P-T法、I-A法和PVB法的RMSE、d-index和NRMSE在各站总体上非常接近,而Mak法精度稍低原因在于7,8月份存在明显高估。H-S法、B-R法、M-B-R法,J-H法和Sch法RMSE在0.75mm/d以上,不太适合该用于该地区ET0准确估算。除了综合法的48PM法和B-S法,其他各方法计算ET0年值在2003年左右后都出现了明显的变化,这可能是由于某些气象因子在近年发生了明显变化。
[硕士论文] 李翔翔
气象学 中国农业科学院 2017(学位年度)
摘要:黄淮海平原是我国最大的冬麦区,但由于区域降水时空分布不均,冬小麦生长季降水稀少,因此干旱缺水是该区域冬小麦生产的主要限制因子。同时,黄淮海平原也是气候变化敏感区与脆弱区,气候变暖导致降水变异程度加大,加之地表水时空分布不均、地下水超采严重,农业干旱风险趋向不稳定。本文利用英国Hadley中心在HadGEM2-ES模式驱动下的RCP8.5气候预估情景与CERES-Wheat模型耦合模拟的方法,比较未来不同时段(近期:2010-2039年、中期:2040-2069年、远期:2070-2099年)与基准期(1976-2005年)模拟输出结果的差异,分析了未来气候变化对黄淮海平原冬小麦产量的可能影响,剥离了温度、辐射、降水和CO2浓度变化对冬小麦产量变化的相对贡献;并结合农业干旱灾情数据,对多种气象干旱指标进行适用性比较和验证的基础上,探明了RCP8.5气候预估情景下气象干旱的演变特征;最后,明确了未来干旱对冬小麦的潜在影响,并结合产量提升效率,评价了不同灌溉适应措施对冬小麦的补偿能力,以期为区域农业适应气候变化提供科学参考。本文得出主要结论如下:
  (1)未来RCP8.5情景下,黄淮海平原冬小麦生育期内各气象要素变化表现为光、热资源增多,降水量增加;气候变暖将导致冬小麦整个生育期缩短,但对粒重形成至关重要的开花-成熟天数无明显影响。
  相比于基准期(1976-2005年),未来近期(2010-2039年)、中期(2040-2069年)和远期(2070-2099年)冬小麦生育期内最高温度将分别升高0.55℃、2.17℃和3.86℃,最低温度将分别升高0.31℃、1.62℃和3.56℃;生育期内太阳辐射量将分别升高1.69%、4.24%和2.36%,降水量将分别升高16.73%、28.64%和50.09%;冬小麦播种-成熟天数在近期、中期和远期分别缩短了4d、15d和25d,播种-开花天数分别缩短了4d、15d和24d,由此可知气候变暖对开花-成熟天数无明显影响。
  (2)未来RCP8.5气候情景有利于黄淮海平原冬小麦生产,其中降水量增加和CO2浓度升高(基准期设定为380ppm,近、中、远期分别为423ppm、571ppm和798ppm)带来的肥效作用起主导作用,但干旱缺水仍是该区域冬小麦生产的主要限制性因素。
  在不考虑CO2肥效作用下,RCP8.5气候预估情景将使区域平均产量在近、中和远期分别增加13.14%、14.88%和29.10%,温度、辐射和降水的贡献比在近、中、远期分别为-0.3∶0.4∶0.9、-0.4∶0.3∶1.1和-0.2∶0.2∶1.0,未来降水量增加对冬小麦产量增加起主导作用。具体来说,未来三个时段降水量的单独变化使冬小麦产量提高11.74%、16.38%和27.78%;增温对冬小麦产量的影响表现为南正北负,但在整体上使区域冬小麦产量分别减产3.64%、5.87%和5.81%。进一步分析表明,由于增温导致潜在蒸散量加大,增温后黄淮海平原特别是北部地区水分亏缺加重,而平原南部自然降水基本满足冬小麦需水,因此增温对区域北部为负效应,南部为正效应。辐射量增加将使冬小麦产量分别增产5.04%、4.37%和7.14%,但辐射量的增加也通过提升蒸散量使区域水分亏缺状况加剧。因此,干旱缺水仍是该区域冬小麦充分利用未来增加的光、热资源的限制性因素。CO2肥效分析表明,RCP8.5情景下CO2浓度升高将使区域冬小麦的产量将分别增产3.68%、17.47%和41.87%,因此综合而言,降水量增加和CO2浓度肥效作用是未来气候变化影响冬小麦产量的主导因素。
  (3)尽管未来RCP8.5预估情景下降水量有较大幅度提升,但由于温度和辐射量的增加导致潜在蒸散量增加,且速率大于降水增加速率,因此黄淮海平原气象干旱将呈不断加重的演变态势。
  基于统计的农业干旱受灾面积、成灾面积和绝收面积等指标,对标准化降水指数(SPI)、基于Penman-Monteith蒸散模型的标准化降水蒸散指数(SPEI-PM)和基于Thomthwaite蒸散模型的标准化降水蒸散指数(SPEI-TH)在黄淮海平原的区域适用性分析表明,SPEI-PM较其他两种干旱指标对农业旱情面积具有更好的相关性和适用性,因此本文采用SPEI-PM表征未来黄淮海平原干旱风险变化趋势。在RCP8.5情景下(2010-2099),尽管自然降水量预估以1.88mm·yr-1增加,但由于温度和辐射量的增加导致潜在蒸散量也以3.58 mm·yr-1不断增加,增加速率大于降水,因此基于SPEI-PM指数的气象干旱分析表明未来黄淮海平原干旱呈加重趋势,具体表现为干旱事件发生频次增加,单次干旱的持续性和严重性亦呈增加趋势。
  (4)尽管RCP8.5气候预估情景对黄淮海平原冬小麦生产有积极作用,但伴随着未来气象干旱加重,干旱对冬小麦造成的潜在减产率也不断加大,单次灌水以拔节水对干旱影响的补偿能力最为明显,两次灌水以拔节和灌浆水组合最佳。
  黄淮海平原冬小麦的干旱减产率(雨养产量与潜在产量之差)在基准期、近期、中期和远期分别为41.58%、47.31%、53.54%和50.92%,呈逐年代上升趋势。关于不同灌溉措施适应补偿能力研究表明,拔节水的产量补偿能力最为明显,未来各年代的补偿能力分别为16.30%、18.67%和16.66%;其次是灌浆水,单独浇灌浆水的产量补偿能力为6.11%、5.12%和5.89%,而拔节水和灌浆水二水处理下各年代的补偿能力分别为23.64%、25.17%和23.77%;越冬水的产量补偿能力和产量提升效率最小。
  因此在黄淮海平原,特别是北部地区水资源日趋紧张的背景下,应首先满足拔节水的需求;在有条件满足两水灌溉区域,拔节水和灌浆水组合产量补偿能力最大。同时,尽管作物模拟表征的越冬水对产量的补偿能力最小,产量提升效率不高,但在实际农业生产中,越冬水是足墒培育壮苗、夺取小麦高产的关键,小麦的安全越冬也与入冬前土壤水分含量和苗情有关,因此在干旱减产率较重的黄淮海北部地区,在保证拔节水和灌浆水的灌溉外,应在冷冬年份注重越冬水的灌溉,确保冬小麦安全越冬。
[博士论文] 佘宝
农业遥感与信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:油菜在我国位居油料作物之首,我国油菜的播种面积和产量均居世界第二位,其中约90%为冬油菜。越冬期是冬油菜必然经历的物候阶段,因而具有发生冻害的风险。传统意义上的油菜冻害监测与评估都是由工作人员到田间实地调查得到冻害指数,不仅耗时、成本高,且代表性差。遥感是及时获取大范围地表信息的有效有段,在作物灾害监测与评估领域具有明显的优势。本研究选取传统的冬油菜主产区—安徽省作为研究区域,基于中等分辨率成像光谱仪MODIS/MERIS、国产环境减灾卫星HJ-CCD/IRS等多种遥感数据源,以明确记载有油菜冻害发生的典型年份作为研究案例,探索针对油菜冻害的多角度评估方法,研究时相包括2003-2004、2009-2010和2010-2011三个生长季。主要的研究内容以及取得的主要成果包括以下几个方面:
  (1)基于日最低气温指标的油菜冻害发生区域判断
  本文从油菜冻害的致灾因子—日最低气温出发,综合利用MODIS遥感数据、地面气象观测资料和基础地理数据,采用星地多源数据相结合的解决思路,依据各等级油菜冻害的致灾温度国家标准,对于可能会有冻害发生的区域进行判断。以2004年1月下旬及2月上旬发生的油菜冻害为例,论文分晴空与云覆盖两种情况讨论了对研究区域全覆盖的日最低气温分布数据的获取方法。
  对于晴空条件,本文通过建立日最低气温与晴空下LST、NDVI及儒略日(DOY)之间的多元线性回归方程来估算其空间分布,以2000-2014年间冬季三个月每日获取的数据为输入用于建模及验证。结果显示对于日最低气温的估算效果,基于前一天夜间所获取的Terra-LST建立的估算方程具有最佳的表现,其次为当日白天获取的Terra-LST、白天Aqua-LST和夜间Aqua-LST。对于阴天条件,本文采用旬低温(旬内平均日最低气温)背景网格推算+冻害年份低温距平调整+残差空间化方法逐步拟合云下的最低气温分布场,该方法首先基于经度、纬度、海拔、坡度和坡向等地理要素数据来推算安徽全省冬季各旬(12月上旬至次年3月上旬)常年低温水平的空间分布。在HANTS滤波的支持下基于8天合成的LST产品(MOD11A2)来模拟冻害发生年份指定旬与常年(2000-2014年)同时期低温程度的距平,而后利用安徽省78个县级气象站的气温观测数据将各低温日期的最低气温与灾害年份旬低温水平之间的残差进行空间化。本文以地理要素数据为输入分别考查了多元线性回归以及随机森林非线性回归方法对低温残差的估算效果,结果显示随机森林模型对残差的估算精度明显要优于多元线性回归方法,故采用该方法将各站点处的低温残差扩展到整个研究区域。
  以晴空下的最低气温估算结果为主体,利用云下的推算结果作为补充,从而得到每个低温日期上对研究区域全覆盖的1km分辨率的最低气温分布。由于国家标准中尚未对低温的持续时间进行定义,本文采用冷积温指标,即低温时段内每日最低气温的累加值来判断可能会有油菜冻害发生的区域。结果显示冷积温能够捕捉到出现在皖北地区(主要是宿州市一带)以及江淮地区(主要为合肥及滁州地区)的低温分布状况,且通过与各气象站的观测值进行比较(相关系数r=0.810,P<0.01,RMSE=8.6℃),冷积温的估算取得了较好的效果。
  (2)油菜的遥感识别与提取
  油菜从始花期到盛花期绿度出现下降,在植被指数时间序列剖面上呈现为“谷”的特征,区别于同时期生长的其他冬季作物(主要为冬小麦),基于这两个物候时期油菜所特有的绿度变化趋势可以实现其种植区域的提取。考虑到不同地区生长的油菜物候期并不同步,本文基于8天合成的MODIS-NDVI时间序列数据,在S-G滤波平滑的基础上,通过识别不同地区始花期和盛花期的开始时间从而分区域提取出安徽全省油菜的分布,并且依据统计年鉴所记录的市级油菜种植面积数据对提取结果进行了检验。
  当冻害较为严重时,受冻后的油菜在花期时植株趋于低矮、花朵稀疏,在30 m像元分辨率尺度上与冬小麦容易混淆,极易造成对实际种植面积的低估,此外农业灾害评估又具有现势性要求。结合合肥当地油菜生产的实际情况,针对该问题本文提出了基准种植区域+越冬作物掩膜调整方法,采用相邻正常生长季(未有冻害发生)的油菜分布作为基准,基于越冬作物从出苗到越冬前生长的特性建立掩膜来调整基准种植区域,将得到的结果用来表示冻害发生年份越冬时期的油菜分布,并且依据油菜播种面积统计数据对其进行检验。
  (3)油菜冻害灾情的遥感评估
  对于2004年发生的油菜冻害,在MODIS像元尺度上借助于时间序列剖面分析了4种广泛采用的植被指数对于冻害的敏感性。结果显示,NDVI和GNDVI的表现要优于EVI和SAVI这两个植被指数,相比之下NDVI对于冻害影响的表现更为充分。MODIS数据具有较长的时间序列连续性,适合采用植被指数距平法评估冻害灾情。选取相邻几个正常生长季(2001-2006不含2004年)同时期的平均长势水平作为基准,采用NDVI年际标准差来表示长势的正常年际波动,将冻害影响后的长势水平相对于基准水平的百分比差异用来描述冻害的灾情程度。由于缺乏田间实测的灾情数据,本文选取全省47个油菜主产县区的平均冻害程度与相应的冷积温进行相关性分析,结果表明二者之间具有显著的相关性(r=0.378,P<0.01),从而一定程度上支持了灾情的评估结果。
  MODIS空间分辨率较低,适合开展大范围油菜冻害的筛查,但对于市(县)区域的油菜冻害遥感监测与评估,需要采用更高空间分辨率的数据进行研究。综合考虑现有遥感资料的空间和时间分辨率,对于2010年和2011年初发生的油菜冻害,本文尝试采用国产环境减灾卫星数据进行冻害评估。选取由HJ-CCD的4个工作波段构建的8个常用的植被指数作为候选的冻害评估指标。利用2009-2010生长季灾后相对于灾前时相各植被指数的变化量较正常生长季(2008-2009)同时期变化量的归一化差异直方图曲线来判断不同植被指数对于冻害的敏感性。结果表明在30m空间分辨率尺度上,NDVI和GNDVI较其他植被指数同样具有更高的敏感性,相比较而言GNDVI的敏感程度更高,因而适合作为冻害的评估指标。基于灾后时相相对于基准水平的GNDVI百分比差异来判断冻害发生年份的灾情等级,对于2011年1月份发生的油菜冻害,本文选取合肥市9个苗情监测点实测的田间冻害指数对结果进行了验证,分析表明遥感评估得到的冻害程度与田间实测冻害指数之间具有较高的相关度(r=-0.698,P<0.05)。采用灰色关联分析方法和统计分析方法,本文考查了一些自然因素和作物自身条件对冻害灾情程度的影响,结果显示南坡向和西坡向种植的油菜灾情相对更为严重,几个因素对灾情影响程度的大小由高到低依次为:灾前长势、土壤湿度、最冷日期的地表温度和海拔高度。
  (4)新的冻害敏感指数的构建
  本文基于中等分辨率成像光谱仪MODIS和MERIS波段所构建的几个生理变量敏感植被指数,在1km级分辨率尺度上考察了这些指数对于低温胁迫的响应模式及其冻害敏感性差异。所选取的指数包括MODIS-PRI(表征光合速率)、NDWI(表征冠层湿度),以及MERIS-MTCI(表征冠层叶绿素含量)、REP(红边位置)与LAI(叶面积指数)。结果显示PRI对于低温胁迫响应非常强烈,间接表明光合作用对于冻害敏感;油菜受冻之后NDWI呈现为异常上升的趋势,据此推测冻害导致了冠层失水;LAI对于冻害响应迟钝,其数值不仅降幅较小且低温过后迅速恢复;低温过程并未引起MERIS-MTCI与REP的降低或者削弱,推测冻害可能并未引起叶绿素水平的降低。低温显著地抑制了MTCI数值水平的上升,而REP几乎未受到低温的影响,引入红边波段构建的红边NDVI对于低温胁迫的敏感程度要低于标准NDVI。
  基于上述发现,本文选取MODIS-L1B级数据中对植被光合作用以及冠层湿度较为敏感的7个波段,在不同冻害等级的随机分层抽样样本的支持下,通过最佳指数(the optimalindex factor,OIF)分析方法筛选出其第5、11和12波段组合构建并且提出了新的冻害敏感植被指数MFISI(MODIS Freezing Injury Sensitive Index)。该指数能够同时响应植被的光合作用与冠层湿度参数,具有明确的生理学意义;且由于两种生理指标在遥感水平上对于冻害均敏感,新指数能够明确地展现冻害的影响,其数值的空间分布图具有丰富的地物细节信息;新指数在冻害灾情的预判以及冻害发展趋势的预测方面,其表现要优于广泛应用的NDVI。
[硕士论文] 王斌
水文学及水资源 长安大学 2017(学位年度)
摘要:干旱灾害作为影响区域水资源安全的主要因素,是全球范围内频繁发生的一种慢性自然灾害,它对社会生活和经济发展的影响之大、范围之广、持续之久、危害之深,超出了其他任何自然灾害,成为了影响世界发展的严重不稳定因素和影响国民经济可持续发展的瓶颈因素。特殊的地理条件和气候特征决定了我国是一个干旱及旱灾频繁发生的国家,干旱问题已成为我国社会经济可持续发展、水资源可持续利用和管理所面临的重大问题和难题。近年来受全球气候变化的影响,我国干旱事件出现的频率呈现增长趋势,且干旱程度日趋加剧,缺水矛盾凸显,严重制约了我国的社会经济和谐发展,并威胁国家安全。可见,当前阶段的干旱问题对国家发展的影响已远高于历史任何时期,其研究也到了刻不容缓的地步。有关干旱的话题,一直是近年来国际学术界研究的热点,其内容主要涉及干旱规律、干旱指标与评估、干旱预警和干旱管理等四个领域,部分成果已被推广于生产一线,对区域抗旱减灾起到了积极的作用。但由于旱灾本身的学科交叉性和复杂性,使得以往的研究成果在应用过程中还有很多有待研究和完善的地方,如干旱指标体系不完善、基础性研究不足、重预警轻应变、重应急轻防御、决策支持系统实用性不强等。
  鉴于此,针对上述研究在干旱管理领域存在的缺陷及不足,本文拟从区域抗旱实务的角度出发,对旱灾危机评估、预警和应对过程中存在的机制问题和实用性问题进行深入地探讨,并以陕西省泾惠渠灌区为例展开案例研究。具体过程如下:首先结合灌区的多水源供给模式,提出并构建了考虑灌区供需双侧的旱灾危机诊断指标体系;耦合多水源二元水循环模拟模型和滚动修正模式,建立了面向灌区的旱灾危机滚动预警机制,可结合未来降水概率和地面的土壤熵情变化,不间断地发布旱灾危机的警示信息;以此为基础,进一步构建了面向灌区抗旱的诊断-预警-决策框架体系,可结合多水源二元水循环模拟模型实现模拟预警和决策推演,同时基于历史旱情信息,构建了旱灾危机应对方案库,可实现对旱灾从诊断、预警到决策的全过程支持;最后,以泾惠渠灌区为案例区,进行验证计算,分析本研究所建立的多水源供给模式下的灌区旱灾诱发危机诊断与预警体系的合理性与实用性。具体研究内容和所得结论如下:
  (1)泾惠渠灌区现状及抗旱能力分析
  通过对泾惠渠灌区的现状调查,发现灌区降水量及径流量年际变化较大,年内分布不均,同时泾河旱涝兼存,灌区蒸发较为强烈;渠首引水量缩减且含沙量大,而灌区需水量却在逐年上升,地下水超采问题日益严重;灌区所在地区旱灾频发,同时面临着水资源严重不足、渠系工程年老失修、节水管理和灌溉技术不成熟、地下水超采及水污染问题并存等问题,抗旱压力大。
  (2)灌区旱灾危机诊断指标体系
  提出基于二元水循环理论的灌区旱灾危机诊断指标体系。该指标体系涵盖了灌区干旱状态和灌区抗旱能力(水源情势)的双重表征,可回答干旱过程中实时旱情和水情两个层面的问题。同时,体系将干旱状态指标D及抗旱能力指标S进行综合,构建了旱灾危机诊断指标DAI。透过该体系,决策者可实时掌握灌区的旱情发展、抗灾能力变化以及成灾的危机程度,即在准确反映灌区当前的旱情状态的情况下,进一步结合未来来水和当前决策方案,模拟灌区未来可能遭受的旱灾威胁。
  (3)多水源二元水循环模拟模型的实现
  诊断指标体系具有实时获取性,但是其阈值设定和预警机制则要求以二元水循环模型作为支撑。结合灌区的多水源供给模式,构建了泾河流域分布式水文模型和水资源配置模型相耦合的灌区引水模型,并与灌区地表水与地下水联合调配模型、墒情预测模型和灌区地下水均衡模型结合,建立了灌区多水源二元水循环模拟模型,以保证指标获取、预警与决策模拟功能的实现。校验结果表明,该模型可较好地模拟干旱事件演变过程中的灌区二元水循环过程,为合理利用地表水与地下水,发挥最大抗旱潜力,有效降低干旱成灾风险提供支持。
  (4)灌区滚动式旱灾危机预警机制及决策体系框架
  以多水源二元水循环模拟模型为基础,将灌区旱灾危机诊断体系与滚动预警机制和决策支持机制相融合,建立了灌区旱灾危机诊断-预警-决策框架体系。在滚动预警机制和决策模拟机制下,可实现对灌区旱灾危机的“预警—预决策—预决策效果分析—预决策修正—决策—预警”的全过程滚动式的旱灾预警及决策支持,弥补干旱演变过程中常规旱情评估体系对干旱应对过程支持的缺位问题。
  (5)实例验证分析
  以陕西省泾惠渠灌区2013-2014年的实测资料为基础,进行灌区旱灾危机预警及决策模拟,并以官方监测结果进行对比分析,验证旱灾危机诊断体系与应对机制的合理性。同时,与单因素指标降水量 SPI、土壤墒情指标进行同期验证,从侧面印证本研究所建立的旱灾预警体系的科学性与合理性。结果表明,本文建立的诊断与预警体系综合考虑了灌区干旱状态及水源情势等因素,从旱情与水情(即需和供)两个层面表征了干旱事件的发展走势,相对SPI和土壤墒情指标包含了更多有关抗旱能力的信息,故其对抗旱实践过程更具有指导意义。从比对结果看,旱灾危机诊断与预警体系是一个更加科学合理、综合完善的体系,并可通过该系统仿真模拟制定科学合理的抗旱预措施和应急措施,有效缓解灌区未来干旱旱情,具有较强的应用价值。
[硕士论文] 刘用
农业遥感与信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:区域汛期洪水预报一直是摆在水文工作者及科研者面前的一道难题,及时有效、精确地进行洪水预报对国家民生安全和经济发展都具有重要的意义。深入研究洪水形成的物理规律特性,探讨水文三要素即降雨、流量和水位与洪水形成的关系,发挥计算机、物理和地理信息等多学科交叉优势,将是洪水预报理论及方法技术突破的关键结合点。
  本研究基于浙江省重大科技专项重点社会发展项目—“星陆双基汛情监测与防汛减灾辅助分析系统研究与应用”的成果,围绕水文三要素展开了进一步的防汛抗洪辅助分析研究。主要研究内容和相关结论如下:
  (1)传统水文监测站点的降水数据精度高质量好,但由于站点数量有限,很难精确表征区域面雨量信息。卫星遥感降水数据可以大面积同步观测区域面雨量,但空间分辨率低,精度不高。本文采用地理加权回归算法,基于高空间分辨率的NDVI、DEM和LST等环境因子,将原始空间分辨率为25km的TRMM卫星遥感降水数据降尺度至1km,且多年平均TRMM值与地面站点实测数值的相关系数由降尺度前的0.64提高到降尺度后的0.77。
  (2)传统径流量的估算大都基于经验函数,很难从物理、水文等基础原理上来进行解释。本文采用SWAT分布式水分模型对曹娥江上游地区的新嵊流域开展径流模拟研究,经过参数敏感性排序分析和率定,验证期纳什效率系数ENs和确定性系数R2分别达到了0.847和0.901,完全符合模型精度要求。
  (3)引入模糊聚类算法,开展基于历史洪水数据的实时洪水水位模糊匹配研究。首先将研究区多年历史水文数据进行整编入库,建立一套标准化的历史水雨情数据库;基于降雨量、暴雨中心等相关洪水特征因子,采用模糊K-mean聚类算法对长时间系列历史暴雨信息进行挖掘分析。最后基于该聚类结果,为实时洪水水位的模糊匹配和辅助预报分析提供参考。
  (4)基于区域面雨量遥感估算、径流量模拟和历史数据挖掘等洪水辅助预报关键技术的研究,采用HTML5与GeoServer等主流开源技术,集成开发了一套基于WebGIS平台的防汛抗洪辅助分析决策系统。系统界面美观、功能实用且操作简单,为相关水文部门工作者开展防汛抗洪的辅助分析工作提供了极大方便。
[硕士论文] 黄路梅
地图学与地理信息系统 贵州师范大学 2017(学位年度)
摘要:农业旱灾脆弱性评价是农业生产系统中防旱抗灾的一个重要环节,已经在很多地区有所探索和实施。针对贵州省,虽然有局部地区在展开关于农业旱灾脆弱性评价的相关研究,但是目前还没有形成统一的旱灾脆弱性评价的理论和方法。
  本文分区评价通过构建关于农业旱灾脆弱性的层次分析法数据库模型,把农业旱灾脆弱性分为A(目标层)层,把敏感性因素和恢复力因素各分为 B1层和 B2层(准则层),把指标分为 C层,构建A(目标层)—C(指标层)的总排序矩阵并通过一致性检验计算出脆弱度数值。运用SPSS19.0软件利用K-均值聚类统计分析把脆弱度值等级划分为五个等级,利用 GIS软件做出基于脆弱度值的空间分布图。毕节市、遵义市、六盘水市在多个年份处于极重脆弱度区和重脆弱度区,主要与该地区旱地面积比重大,人均水资源量少,地表水资源量少,相对湿度大,农民人均纯收入少,农用水泵少,水利设施条件差有关,且与该地区岩溶地貌广育,土层薄,植被少,保水能力差,生态环境脆弱,抗旱能力小(自然地理的因素)有关。黔东南州、铜仁市和黔南州农业旱灾脆弱度与同时期其他地区相比较低,主要与该地区旱地面积比重较小,降水量较多,相对湿度较小,地表水资源量较多,人均水资源量较多,农民人均纯收入多,农用水泵多,水利设施条件好,抗旱能力强有关,与该地区非岩溶地貌多,植被好,土层相对较好,抗旱性好有关。极重脆弱度区面积比重与重脆弱度区面积比重之和在26.13%~43.59%,多数年份均为38.33%,比重大,表明从整体上看贵州省农业旱灾脆弱性严重。各等级脆弱度区面积比重差异很大,呈现“两头多,中间少”分布。
  综合性评价通过构建熵值—定量评价模型研究得出贵州连续12年的农业旱灾脆弱度特征值均为高值.脆弱度值均大于0.5,但各年份间脆弱度值也有一定的浮动,大致浮动在0.647附近,表明整体上看贵州省农业旱灾脆弱性严重。
  本文等级评定通过构建可变模糊—灰色关联分析模型,计算出4(人口占全省百分比、GDP占全省百分比、地表水资源量占全省百分比、喀斯特分布面积占各区百分比)个因素和样本综合评价级别特征值均值的灰色关系系数和关联度。4个因素都对贵州农业旱灾脆弱性具有一定的影响,但影响力不同,且4个因素在不同的地区可以有不同的组合方式,组合方式不同,对农业旱灾脆弱性的影响也不同。其中人口、GDP、地表水资源量占全省百分比是其决定因素,喀斯特的影响程度在减小。
[硕士论文] 许佳琦
生态学 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:干旱不仅对自然生态环境的平衡造成影响,而且对我国的农业生产造成严重影响,是制约我国农业发展因素之一。传统的干旱监测研究方法虽然真实性较高,但具有区域局限性,无法精确地反映大范围空间连续性的区域干旱状况。遥感技术具有及时、经济、覆盖范围广、连续性等特点,为干旱监测提供新的途径,已成为区域干旱监测研究的重要手段。因此,利用遥感技术优势,对大范围区域干旱进行研究具有现实意义。
  以8年的MODIS遥感数据,以及5年的FY-3A遥感数据,作为本研究的数据源,针对近年来黑龙江频繁出现的干旱,采用前人改进的特征空间法,实现干旱的监测,对改进前后特征空间法监测结果,进行评价和检验,形成以下结论:
  (1)以2000~2008年的5月25日至6月9日为分析时间段,获取8年该时间段的MODIS数据,提取每年该时段Ts-NDVI特征空间的干、湿边地表温度,依据提取结果,对Ts-NDVI特征空间改进合成。合成后的特征空间,称之为通用Ts-NDVI特征空间,其具有三角形分布特征,其干、湿边的地表温度边界相对平滑清晰,极大改善原有特征空间监测的不稳定性,同时,有效的提高了监测精确度。
  (2)将两种特征空间的VTCI值与10cm、20cm土壤相对湿度进行相关性分析,表明两种特征空间的VTCI值与10cm、20cm土壤相对湿度均存在正相关关系,多数年份的相关性系数在0.001~0.05之间,而且,与10cm土壤相对湿度的相关性更好,表明Ts-NDVI特征空间的VTCI能比较客观地反映土壤相对湿度,并且对浅层土壤相对湿度反映更敏感。同时,通用Ts-NDVI特征空间与10cm、20cm土壤相对湿度的相关性好于单一时段Ts-NDVI特征空间,其监测结果更接近10cm土壤相对湿度监测结果。
  (3)本文实现了基于FY-3A/VIRR数据合成通用Ts-NDVI特征空间,并对监测结果进行评价和检验。结果表明:10cm土壤相对湿度与通用Ts-NDVI特征空间和单一时段Ts-NDVI特征空间的相关性系数分别为0.294和0.136,前者通过了0.1的显著性检验,后者没有通过显著性检验;降水量与通用Ts-NDVI特征空间和单一时段Ts-NDVI特征空间的相关性系数分别为0.252和0.151,前者通过了0.05的显著性检验,后者没有通过显著性检验。由此可见,基于FY-3A/VIRR数据的通用Ts-NDVI特征空间监测结果优于单一时段的Ts-NDVI特征空间监测结果,表明基于FY-3A/VIRR数据的通用Ts-NDVI特征空间方法可以用于黑龙江省干旱监测。
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